岸邊橋式集裝箱起重機驅動機構卷筒軸承座優化設計

范東風

上海振華重工(集團)股份有限公司

1 引言

起升纏繞系統、俯仰纏繞系統、小車纏繞系統是岸邊橋式集裝箱起重機(以下簡稱岸橋)的三大核心纏繞系統，其運行驅動力來源于布置在岸橋機器房中的三大驅動機構[1]。驅動機構由驅動電機、減速箱、鋼絲繩纏繞卷筒、卷筒軸承座、制動器等組成，其中卷筒軸承座在驅動機構中起著至關重要的作用，決定卷筒運動是否平穩，影響岸橋作業效率。

某型岸橋原有三大驅動機構卷筒軸承座，自2006年使用至今，出現卷筒軸承座焊縫開裂或地腳螺栓斷裂現象，經過現場分析，發現卷筒軸承座存在一些問題。為了降本增效，提升產品質量，需要對原有三大驅動機構卷筒軸承座進行優化設計。

2 原有卷筒軸承座問題分析

2.1 原軸承座概述

原有三大驅動機構卷筒軸承座分為上軸承座體、下軸承座體、底座、調整墊、抗剪塊以及軸承相關安裝組件(見圖1)。上軸承座體和下軸承座體通過螺柱連接，下軸承座體、底座和調整墊通過6組地腳螺栓連接。卷筒軸承座承受的剪力主要由抗剪塊承受，彎矩則由地腳螺栓副承受。下軸承座體上部厚板結構形狀不規則，與下面兩側翼緣板焊接。

1.上軸承座體 2.下軸承座體 3.地腳螺栓副 4.抗剪塊 5.底座 6.調整墊

2.2 現場問題與原因分析

三大驅動機構卷筒軸承座在碼頭各種復雜工況長期作業情況下基本完好，但在一些大型岸橋尤其是雙起升的岸橋出現了卷筒軸承座結構開裂或地腳螺栓斷裂現象，這些卷筒軸承座開裂具有以下共同特點：①均發生在牽引式小車驅動卷筒軸承座；②軸承座均承受正反方向的牽引力，即承受交變疲勞載荷作用，屬于疲勞開裂[2]；③卷筒軸承座焊縫開裂位置基本都在厚薄板對接位置；④地腳螺栓斷裂均在卷筒軸承座底座兩側最遠端和靠近遠端的螺栓位置。

通過對原有卷筒軸承座現場問題分析，在設計上有以下幾點不足之處。

(1)原卷筒軸承座設計未能充分考慮軸承座所承受的工況，主起升機構、俯仰機構用卷筒軸承座均承受外力引起的單向拉力，以及拉力引起的彎矩，疲勞工況屬于橫幅應力疲勞；而小車驅動機構用卷筒軸承座則承受外力引起正反2個方向的拉力，以及正反兩向拉力引起的正反彎矩，屬于交變應力疲勞工況。

(2)主結構厚薄板對接位置處理不好，沒有對重要位置焊縫提出檢測要求，實際制作焊縫不能保證焊接質量，無法滿足實際需要的焊縫強度[3]。

(3)主支架結構未按照力學分析合理布置，支架兩側腹板距離不夠大，中間筋板多余。

(4)地腳螺栓分布不合理，受力分布失衡，中間部分地腳螺栓作用不大，外側地腳螺栓受力過大；地腳螺栓連接孔不具可調整性，不利于安裝定位和調整。

3 卷筒軸承座創新優化

岸橋三大驅動機構軸承座創新優化工作主要解決現有軸承座存在的問題，提高產品設計質量，避免再次發生主結構疲勞開裂或地腳螺栓斷裂，減少維護成本，同時考慮軸承座的適用性和普及性，有利于創新優化產品在岸橋及其他產品上推廣和應用。

3.1 創新優化方案

首先從三大驅動機構工況和軸承座工況分析出發，理清系統中所有載荷，然后對各種工況下軸承座整體受力、主結構受力、地腳螺栓受力進行計算分析，根據計算分析結果，合理設計主結構形式和地腳螺栓布置，確定主結構、底座焊接焊縫形式和要求。同時向生產單位了解現有軸承座現場工藝、制作和裝配等情況和存在的問題，進而對軸承座進行創新優化，設計了新的岸橋三大驅動機構卷筒軸承座(見圖2)。

1.上軸承座體 2.下軸承座體 3.地腳螺栓副 4.抗剪塊 5.底座 6.調整墊

相對現有軸承座，優化后的岸橋三大驅動機構卷筒軸承座有以下幾點創新。

(1)安裝軸承處厚板形式不同，創新優化的軸承座采用圓形結構，不同于原有軸承座多邊形結構；兩側腹板與厚板連接處定位在軸承中心位置，避免了厚薄板之間的焊縫承受彎矩載荷，減少或避免焊縫開裂機會。

(2)主結構取消了中間不承受彎矩載荷的筋板，對主結構、底座重要焊縫進行了合理分布，尤其是厚薄板連接處焊縫，主結構翼緣板和中間腹板同下部底板的焊縫，底座與基礎的焊縫。

(3)根據受力情況對軸承座上座和下底座中間聯接處的調整墊做了分段處理，減少調整墊加工面。

(4)軸承座上座和下底座聯接螺栓孔分別做了2個方向腰型孔，可以微調上下座位置；且將聯接螺栓分布在受力位置，取消了靠近中間位置受力不大的螺栓。

3.2 軸承座有限元計算分析

為了更準確反映創新優化的三大驅動機構卷筒軸承座受力情況，采用有限元計算軟件ANSYS中Solid45實體單元對卷筒軸承座進行實體建模計算分析。載荷主要考慮鋼絲繩拉力，拉力按照100 kN計算，計算分析結果見圖3。

圖3 新型軸承座結構應力

從計算分析結果來看，創新優化設計的三大機構驅動卷筒軸承座結構應力很小，尤其是厚薄板相接位置。

4 創新優化卷筒軸承座的經濟效益分析

創新優化設計的三大驅動機構卷筒軸承座有效解決了原有裝置存在的不足之處，結構更簡明，布置更合理。軸承座上座和下底座中間連接處的調整墊是非整體式，減少調整墊加工面加工量。根據受力分析結果，取消了不承受彎矩載荷的中間筋板和底座中間筋板，減少材料成本和焊接成本。

創新優化的卷筒軸承座可大幅提高三大驅動機構系統裝配效率。原有三大驅動機構驅動裝配時，需要先找正劃線定位軸承座下底座，預先點焊軸承座。安裝上軸承座時找正位置，必須再次調整下底座的位置，需要刨掉預焊焊縫，調整下底座后再次焊接下底座。創新優化的卷筒軸承座上座和下底座連接螺栓孔分別做了不同方向的腰型孔。找正劃線定位軸承座下底座直接和基礎完全焊接，安裝軸承座上座時，根據實際工況可以前后左右微調位置，減少整體裝配二次劃線，無需破壞焊縫再次焊接，大幅度節約安裝調整軸承座的時間和人工成本，提高安裝準確度和裝配效率。

目前，創新優化的三大驅動機構卷筒軸承座已在國內外岸橋項目上推廣應用，有效減少或避免了以后項目的三大驅動機構卷筒軸承座出現結構開裂和螺栓副斷裂現象，減少或避免了后期維護成本。該卷筒軸承座的通用性好，可應用到軌道式龍門起重機和輪胎式龍門起重機產品上，減少同類產品設計和開發成本。

5 結語

創新優化后的三大驅動機構卷筒軸承座具有受力合理、工藝性好、裝配調整方便、綠色制造等優點，大幅節省了設計、工藝、制作、裝配及售后維護的時間和成本，為全面提高岸橋產品質量提供了技術支持。